Ett internationellt team av forskare, ledda av University of Liverpool, har producerat strukturella filmer av ett nyckelenzym som är involverat i en biologisk väg för produktion av växthusgaser som ger ny insikt om dess katalytiska aktivitet.

En stor bidragande orsak till den globala uppvärmningen är växthusgasen dikväveoxid, som är 300 gånger mer skadlig för ozonskiktet än koldioxid. Lustgas är en biprodukt av denitrifikationsvägen, som uppstår när speciella typer av mikroorganismer tar bort överskott av nitrat eller nitrit från ekosystemen och omvandlar dem tillbaka till kvävgas.

Det första steget i denna process involverar ett enzym som kallas kopparnitritreduktas (CuNiR), som omvandlar nitrit till kväveoxidgas med hjälp av en elektron och en proton. Nyligen har en CuNiR från en Rhizobia-art upptäckts med en väsentligt lägre katalytisk aktivitet. Denna art är rikligt förekommande i jordbruket och är en stor bidragande orsak till denitrifikationsvägen och därmed lustgas.

CuNiR är ett metalloprotein, vilket betyder att det innehåller metalljoner för att fungera korrekt, i detta fall innehåller det två kopparställen, en där katalys sker och en annan som tar emot och donerar en elektron som behövs för katalys. Metalloproteiner är utbredda inom biologin och utgör minst 30 % av alla proteiner.

Forskare från Storbritannien och Japan använde enkristallspektroskopi och en röntgenkristallografisk metod känd som MSOX (flera strukturer från en kristall) för att producera en molekylär film av enzymet för att förstå varför aktiviteten är mycket lägre i denna CuNiR. Röntgenkristallografi är en viktig teknik som gör att biologiska molekylers atomdetaljer kan visualiseras i tre dimensioner, vilket hjälper till att förstå hur de är sammansatta, hur de fungerar och hur de interagerar. MSOX är ett framsteg på detta eftersom det gör att katalys kan visualiseras i realtid.

Förste författare, Ph.D. Student Samuel Rose sa:"Denna forskning är viktig av två skäl. För det första hjälper den oss att förstå varför aktiviteten i denna CuNiR är lägre jämfört med andra, vilket kan hjälpa till med framtida bioteknik för att hjälpa till att tackla den globala uppvärmningen. För det andra visar den att MSOX-metoden tillsammans med enkristallspektroskopi är en spännande kombination som kan hjälpa till att dissekera komplexa redoxreaktioner i andra fundamentala metalloenzymer."

Professor Samar Hasnain, som ledde forskningen vid University of Liverpool sa:"Det är bara genom att förstå grundläggande biologiska och kemiska processer som vi kommer att kunna ta itu med stora miljöfrågor. Tillvägagångssättet som utvecklats för denna studie skulle kunna tillämpas på många system, inklusive de som är involverade i väteproduktion (hydrogenas), kväveanvändning (nitrogenaser) och fotosyntes (Fotosystem II)."

Forskningen publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences . + Utforska vidare

Studie avslöjar insikter om enzym som bekämpar en vanlig växthusgas